合成-反应耦合：CO、H2小分子吸附调控合成金属镍、钴催化剂及其催化CO加氢反应研究

Ni/Co catalysts are widely used in CO hydrogenations, such as CO methanation, Fischer-Tropsch synthesis, which have important industrial applications. In-depth understanding of the association between catalyst preparation, structure and its properties has theoretical guidance meaning for the development of nickel, cobalt based catalyst with high activity, stability and selectivity. This project apply MOF assisted adsorption of CO/H2 small molecules and the strong coupling between small molecules CO/H2 and metal surface to control the growth of Ni/Co nanocrystals and alloys, so as to realize controllable preparation and structural optimization of nickel and cobalt based catalysts, and further to illustrate their structure-activity relationship for CO hydrogenations. Based on the related experimental and theoretical studies on CO/H2 adsorption mechanisms, the effect of CO/H2 adsorption on the microstructure and surface state of nickel and cobalt nanocrystals should be elucidated, and the effect of CO/H2 adsorption and the effect of MOF assisted CO/H2 adsorption on the catalytic performance for CO hydrogenation over as-prepared Ni/Co catalysts should be pointed out. Based on the design idea of coupling synthesis and catalysis, this project aims to elucidate the structure design rules of Ni/Co based hydrogenation catalysts, and to develop novel Ni/Co catalytic materials with excellent catalytic performance.

金属镍、钴催化剂被广泛应用于催化CO加氢反应，如CO甲烷化、费托合成等，具有重要的工业应用前景。深入理解催化剂的制备、结构和其性能之间的关联，对发展高活性、稳定性和选择性的金属镍、钴基催化剂具有理论指导意义。本课题拟利用金属有机骨架材料（MOF）促进的CO、H2小分子吸附作用、以及CO、H2等小分子与金属镍、钴的强耦合作用来调控金属镍、钴纳米晶及其合金的生长，实现具有不同结构的金属镍、钴催化剂的可控制备和结构优化，明确金属镍、钴CO加氢催化剂的构效关系；结合CO、H2小分子吸附机理的实验和理论相关研究，阐明CO、H2等小分子吸附对金属镍、钴纳米晶的微观结构及表面状态的影响规律，同时揭示CO/H2气体小分子吸附作用及MOF促进的气体小分子吸附作用对材料的CO加氢催化性能的影响规律；基于合成与催化反应耦合的设计思路，提出高效金属镍、钴基CO加氢催化剂的结构设计规律，设计并发展出具有优异催化性能

该项目基于小分子及MOF结构调控的设计思路，探索金属镍、钴纳米晶及其合金的制备方法，成功制备了系列Ni、Co基及与Pt\Ru等贵金属合金复合催化材料，并研究了其催化CO加氢、CO2加氢、电解水析氢等能源催化领域重要催化反应的性能，明确金属镍、钴催化剂的构效关系；结合实验和理论相关研究，阐明小分子吸附对金属镍、钴纳米晶的微观结构及表面状态的影响规律，以及MOF结构对材料的催化性能的影响规律；实现了对具有不同结构的金属镍、钴催化剂的可控制备和结构优化。.项目的主要研究内容包含以下三个方面：.1）小分子调控制备Ni\Co及相关催化剂的开发：在这部分内容中，主要考察CO、H2、OH-等小分子对金属镍、钴纳米晶的形貌结构的影响规律，并在此基础上，对催化剂的催化性能进行研究，通过实验结合理论计算的方法考察其生长机制及其催化作用机制，揭示小分子调控的制备方法和其催化性能之间的内在关联。.2）基于金属有机骨架材料（MOF）制备的新型催化剂及其结构性能研究：MOF作为一类复合多孔材料，其独特的拓扑结构和物理化学性质使其在催化等许多领域具有潜在的用途，这部分的工作主要利用MOF材料的独特结构开发高效催化剂，通过调变配体、在MOF结构中引入双金属、三金属离子等方法，构建形貌结构和性能多变的MOF基前驱体，通过煅烧、磷化、硫化等方法制备催化剂，如FeNiZn-MIL-88B-on-MOF-5、Ni2P-CoP、MoS2-Co3S4等，并考察了这些催化剂的催化CO2加氢、加氢脱硫、电催化析氢等性能，成功开发了系列高效催化剂。.3）镍钴基催化剂的制备、结构优化与催化性能研究：在前两部分研究工作的基础上，聚焦镍钴基催化剂的发开发，采用结构调控、合金化等手段对镍钴催化剂进行结构组成优化，并对其在电催化以及加氢脱硫等重要的能源催化领域的应用进行深入研究，在揭示构效关系的同时，优化和提升催化剂的催化性能，为开发具有优异性能的镍钴基电催化剂及加氢脱硫催化剂作出有益的尝试。